馮 飛

(中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100013)

我國(guó)新型、大型煤化工項(xiàng)目起步于“十二五”期間，隨著一批示范項(xiàng)目建成投產(chǎn)，煤化工產(chǎn)業(yè)在“十三五”期間得到快速發(fā)展。煤制合成氨聯(lián)產(chǎn)尿素、硝酸硝銨，煤制甲醇聯(lián)產(chǎn)聚烯烴是煤化工產(chǎn)業(yè)主要產(chǎn)品技術(shù)路線，相關(guān)煤化工企業(yè)屬于“兩重點(diǎn)一重大”?；飞a(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程中需要高溫、高壓的反應(yīng)條件，伴隨有毒、有害、易燃、易爆物料，安生生產(chǎn)壓力大，安全監(jiān)管要求高。按照法律法規(guī)要求，?；飞a(chǎn)企業(yè)需要配備儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)等自動(dòng)化安全設(shè)施，在生產(chǎn)過(guò)程異常時(shí)，引發(fā)危險(xiǎn)后果前，通過(guò)自動(dòng)終止化學(xué)反應(yīng)、緊急停止大型機(jī)組設(shè)備、快速啟動(dòng)泄壓設(shè)施，使生產(chǎn)裝置轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)。

煤化工企業(yè)常用的儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)包括SIS(安全儀表系統(tǒng))、ESD(緊急停車系統(tǒng))等。由于我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)起步晚，相關(guān)技術(shù)不夠成熟，專業(yè)技術(shù)人員短缺，導(dǎo)致早期建設(shè)的煤化工項(xiàng)目?jī)x表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)存在原設(shè)計(jì)不滿足現(xiàn)行法律法規(guī)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求、設(shè)置不完善、管理不健全等缺陷。當(dāng)儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)因?yàn)槿毕菰谛枰?lián)鎖保護(hù)動(dòng)作時(shí)拒動(dòng)，就可能導(dǎo)致設(shè)備損害，甚至引發(fā)火災(zāi)爆炸，造成財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡等嚴(yán)重后果，例如，某企業(yè)氮壓機(jī)因三級(jí)軸承溫度聯(lián)鎖拒動(dòng)導(dǎo)致三級(jí)軸瓦嚴(yán)重?fù)p壞；而聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)頻繁誤動(dòng)，則會(huì)造成生產(chǎn)裝置波動(dòng)、非計(jì)劃停車，嚴(yán)重影響企業(yè)安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行，例如，某企業(yè)一年內(nèi)因儀表聯(lián)鎖誤動(dòng)非計(jì)劃停車6次，造成上千萬(wàn)的經(jīng)濟(jì)損失。因此，煤化工企業(yè)需要通過(guò)完善設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)置、強(qiáng)化管理等手段提高儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和可用性，保證儀表聯(lián)鎖有效發(fā)揮保護(hù)作用。

1 儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完善

1.1 SIS系統(tǒng)的獨(dú)立性設(shè)置

安全儀表系統(tǒng)作為儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，需要獨(dú)立完成安全儀表功能。安監(jiān)總管三〔2014〕116號(hào)《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確要求，安全儀表系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于基本過(guò)程控制系統(tǒng)，要求依據(jù)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定風(fēng)險(xiǎn)降低要求，在保證安全儀表功能的功能性和完整性要求下，編制安全儀表系統(tǒng)安全要求技術(shù)文件，依據(jù)技術(shù)文件進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

然而，2014年前設(shè)計(jì)投產(chǎn)的煤化工項(xiàng)目在安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面存在以下3種未獨(dú)立設(shè)置的情況：一是“兩重點(diǎn)一重大”裝置所有聯(lián)鎖均由DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，未設(shè)置安全儀表系統(tǒng)，即整體安全儀表系統(tǒng)的未獨(dú)立；二是裝置已有SIS系統(tǒng)，但經(jīng)過(guò)安全儀表完整性等級(jí)評(píng)估后發(fā)現(xiàn)部分SIL1(安全完整性等級(jí)1級(jí))以上等級(jí)安全儀表功能由DCS實(shí)現(xiàn)，未放入SIS系統(tǒng)，即部分安全功能的未獨(dú)立；三是裝置安全儀表功能的條件、邏輯或結(jié)果一部分在SIS系統(tǒng)，另一部分在DCS系統(tǒng)，整個(gè)安全功能的執(zhí)行需要SIS與DCS共同動(dòng)作，即安全功能的部分未獨(dú)立。

1.1.1 安全儀表系統(tǒng)整體獨(dú)立設(shè)置完善

部分煤化工企業(yè)“兩重點(diǎn)一重大”裝置因?yàn)樵O(shè)計(jì)較早，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高，在建廠階段未設(shè)置SIS系統(tǒng)，根據(jù)法律法規(guī)需增設(shè)安全儀表系統(tǒng)。

某煤化工企業(yè)年產(chǎn)18萬(wàn)t合成氨裝置及罐區(qū)沒(méi)有設(shè)置SIS系統(tǒng)，而合成氨工藝是首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝，合成氨工藝產(chǎn)生的液氨和氨氣是重點(diǎn)監(jiān)管危化品，氨罐區(qū)屬于1級(jí)重大危險(xiǎn)源。由于沒(méi)有設(shè)置安全儀表系統(tǒng)，氨罐區(qū)按照安監(jiān)總管三〔2017〕121號(hào)《化工和危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(試行)》可判定為重大生產(chǎn)安全事故隱患。針對(duì)該問(wèn)題，企業(yè)組織對(duì)合成氨裝置及罐區(qū)進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)SIL定級(jí)分析報(bào)告，在不改變?cè)新?lián)鎖邏輯關(guān)系和相關(guān)設(shè)置參數(shù)的條件下，將聯(lián)鎖組態(tài)移至新增的安全儀表系統(tǒng)中，測(cè)量變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)與DCS分離，無(wú)法分離的新增儀表設(shè)備；并對(duì)整個(gè)SIS系統(tǒng)進(jìn)行SIL等級(jí)驗(yàn)證，保證安全儀表功能完整性。

1.1.2 完善部分安全功能的獨(dú)立設(shè)置

煤化工項(xiàng)目部分安全功能未獨(dú)立設(shè)置的主要原因是項(xiàng)目設(shè)計(jì)前未做SIL評(píng)估，未確定安全儀表功能并按安全功能需求設(shè)計(jì)SIS系統(tǒng)。企業(yè)在對(duì)現(xiàn)役裝置進(jìn)行SIL評(píng)估后，發(fā)現(xiàn)個(gè)別安全功能未設(shè)置聯(lián)鎖保護(hù)或聯(lián)鎖保護(hù)由基本過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，不滿足法律法規(guī)要求。

某煤化工企業(yè)對(duì)全廠裝置進(jìn)行SIL評(píng)估后，發(fā)現(xiàn)26個(gè)SIL1及以上聯(lián)鎖回路設(shè)置在DCS系統(tǒng)，例如煤漿槽液位低低聯(lián)鎖，通過(guò)LOPA(保護(hù)層分析)分析，液位低低導(dǎo)致后果中財(cái)產(chǎn)損失可達(dá)1 180萬(wàn)元，要求的PFD(要求危險(xiǎn)失效概率)為<1e-2，要求達(dá)到SIL1級(jí)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證該功能PFD為2.03E-03，整體達(dá)到的SIL1級(jí)，但由于該聯(lián)鎖設(shè)置在DCS系統(tǒng)，根據(jù)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，將該功能移入SIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全儀表功能的獨(dú)立設(shè)置。

1.1.3 完善安全功能部分未獨(dú)立的設(shè)置

煤化工項(xiàng)目安全功能部分未獨(dú)立主要違反了GB/T 50770《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于“安全儀表系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立完成安全儀表功能”和“基本過(guò)程控制系統(tǒng)不應(yīng)介入安全儀表系統(tǒng)的運(yùn)行和運(yùn)算”的安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原則。

例如，某煤化工企業(yè)液氨槽液位高高聯(lián)鎖進(jìn)口液位調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，液位變送信號(hào)進(jìn)SIS系統(tǒng)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，結(jié)果輸出到DCS系統(tǒng)液位PID功能塊，當(dāng)液位高高時(shí)SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖DCS系統(tǒng)PID塊輸出為0，使液位調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。該聯(lián)鎖測(cè)量、運(yùn)算在SIS系統(tǒng)，輸出控制在DCS系統(tǒng)，整個(gè)安全功能由SIS與DCS共同執(zhí)行，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)安全功能的整體獨(dú)立性，同時(shí)，DCS系統(tǒng)掃描周期為1 s，大大增加了整個(gè)安全功能執(zhí)行周期。由于該安全功能為SIL1級(jí)，按照GB/T 50770設(shè)計(jì)規(guī)范要求，SIS可與DCS共用執(zhí)行元件，因此在調(diào)節(jié)閥閥門定位器與氣缸間增加電磁閥，由SIS系統(tǒng)控制，保證SIS系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)了該安全儀表功能由SIS系統(tǒng)的獨(dú)立完成。在類似問(wèn)題整改過(guò)程中，若安全功能為SIL2級(jí)及以上，SIS系統(tǒng)的執(zhí)行元件需與基本過(guò)程控制系統(tǒng)分開(kāi)，需要新增切斷閥由SIS系統(tǒng)控制。

1.2 安全儀表系統(tǒng)通訊功能完善

煤化工項(xiàng)目在采用國(guó)外專利工藝包時(shí)，一些國(guó)外工藝包將SIS與DCS系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫集成設(shè)計(jì)，2個(gè)系統(tǒng)間通過(guò)PROFIBUS共用一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間物理上集成。這種集成方案在國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐中應(yīng)用較少，個(gè)別設(shè)計(jì)院在工藝包轉(zhuǎn)化時(shí)以MODBUS代替PROFIBUS進(jìn)行SIS與DCS系統(tǒng)間聯(lián)鎖指令的交互，忽略了兩者協(xié)議主體、協(xié)議特點(diǎn)和傳輸特點(diǎn)的不同。加載在PROFIBUS上的PROFIsafe通信符合IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》功能安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到SIL3級(jí)；而MODBUS不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法達(dá)到SIS系統(tǒng)功能安全通信要求。

例如，某煤化工企業(yè)液氮洗裝置采用MODBUS通訊協(xié)議，RS485接口進(jìn)行SIS與DCS的系統(tǒng)集成，聯(lián)鎖指令在系統(tǒng)間交互控制，而MODBUS通訊中斷、延時(shí)、數(shù)據(jù)丟包以及RS485半雙工傳輸方式對(duì)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患。同時(shí)，該通訊方案也不符合GB/T 50770關(guān)于“除旁路信號(hào)和復(fù)位信號(hào)外，基本過(guò)程控制系統(tǒng)不應(yīng)采用通信方式向安全儀表系統(tǒng)發(fā)送指令”的設(shè)計(jì)要求。企業(yè)按照GB/T 50770設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)液氮洗裝置SIS與DCS系統(tǒng)間信號(hào)重新梳理，將安全儀表功能回路全部移入SIS系統(tǒng)，非安全功能信號(hào)采用硬接線方式進(jìn)行系統(tǒng)間信號(hào)傳輸，保證系統(tǒng)間通訊及信號(hào)交互符合規(guī)范。

2 聯(lián)鎖方案的優(yōu)化

聯(lián)鎖儀表誤動(dòng)作是困擾煤化工企業(yè)儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的主要問(wèn)題，一個(gè)關(guān)鍵聯(lián)鎖回路的誤動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致一次全廠性的非計(jì)劃停車事故，造成上百萬(wàn)元的財(cái)產(chǎn)損失。為了避免聯(lián)鎖儀表誤動(dòng)引起非計(jì)劃停車，企業(yè)往往選擇摘除聯(lián)鎖，給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患，而長(zhǎng)期摘除也違反了安監(jiān)總管三〔2015〕113號(hào)《化工(危險(xiǎn)化學(xué)品)企業(yè)安全檢查重點(diǎn)指導(dǎo)目錄》關(guān)于安全聯(lián)鎖摘除不得超過(guò)一個(gè)月的相關(guān)要求。

煤化工企業(yè)可以通過(guò)聯(lián)鎖條件優(yōu)化、合理儀表選型提高聯(lián)鎖可靠性，減少聯(lián)鎖誤動(dòng)，保證裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 聯(lián)鎖條件2oo3

常見(jiàn)聯(lián)鎖條件表決的PFD性能關(guān)系為2oo2<1oo1<2oo3<1oo2<2oo4，綜合聯(lián)鎖儀表的可靠性、可用性要求，重要聯(lián)鎖條件可以采用2oo3表決方式進(jìn)行優(yōu)化。2oo3聯(lián)鎖條件的實(shí)施需要從取源部件、變送元件、輸入卡件以及聯(lián)鎖邏輯多個(gè)部分進(jìn)行整體優(yōu)化。取源點(diǎn)獨(dú)立，安全柵取自不同的供電模塊，進(jìn)入3塊不同的輸入卡件實(shí)現(xiàn)同種分離，有效降低隨機(jī)失效概率；采用不同的測(cè)量方式(例如選用差壓變送器、雷達(dá)液位計(jì)、浮球液位開(kāi)關(guān)進(jìn)行同一液位聯(lián)鎖)實(shí)現(xiàn)異種分類，有效降低系統(tǒng)失效和共因失效概率。2oo3聯(lián)鎖邏輯根據(jù)儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)是否具備儀表故障檢測(cè)功能而不同，對(duì)于不具備故障檢測(cè)功能的系統(tǒng)，按照故障安全原則，當(dāng)2臺(tái)及以上儀表故障時(shí)觸發(fā)聯(lián)鎖動(dòng)作；對(duì)于具備故障檢測(cè)功能的系統(tǒng)，當(dāng)2臺(tái)儀表故障時(shí)聯(lián)鎖表決變?yōu)?oo1，當(dāng)3臺(tái)儀表故障時(shí)觸發(fā)聯(lián)鎖動(dòng)作。

2.2 聯(lián)鎖條件延時(shí)

信號(hào)干擾是聯(lián)鎖儀表誤動(dòng)作的重要原因之一。儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)由大量電子設(shè)備組成，會(huì)受電阻耦合、電容電感耦合、附加電勢(shì)、變頻電磁等電子干擾，也會(huì)受到線路虛接、環(huán)境擾動(dòng)等測(cè)量干擾。有些干擾可以通過(guò)隔離、屏蔽、接地等措施去除，但對(duì)于瞬時(shí)性干擾通常采用條件延時(shí)。在聯(lián)鎖條件后增加延時(shí)器，當(dāng)聯(lián)鎖條件動(dòng)作瞬間，啟動(dòng)延時(shí)器計(jì)時(shí)，在延遲設(shè)定時(shí)間內(nèi)只有聯(lián)鎖條件保持動(dòng)作信號(hào)才會(huì)最終觸發(fā)聯(lián)鎖；而瞬時(shí)信號(hào)干擾只會(huì)觸發(fā)延時(shí)器計(jì)時(shí)，無(wú)法保持狀態(tài)至計(jì)時(shí)結(jié)束，這樣就可以避免信號(hào)瞬時(shí)干擾造成的聯(lián)鎖誤動(dòng)作。聯(lián)鎖條件延遲時(shí)間的設(shè)置需要綜合考慮測(cè)量對(duì)象變化速率、測(cè)量?jī)x表靈敏度與干擾信號(hào)時(shí)長(zhǎng)等因素確定，避免條件延遲屏蔽正確的聯(lián)鎖動(dòng)作，通常延遲時(shí)間設(shè)定為0.5～3 s。對(duì)于2oo2聯(lián)鎖，因?yàn)榭煽啃暂^低，可以增加帶延時(shí)的1oo2聯(lián)鎖，提高可靠性。

2.3 儀表選型優(yōu)化

聯(lián)鎖儀表的誤動(dòng)作除了信號(hào)干擾外，還有一部分原因是所選用儀表在生產(chǎn)工況下無(wú)法保證穩(wěn)定準(zhǔn)確的測(cè)量，由于指示波動(dòng)、測(cè)量錯(cuò)誤導(dǎo)致誤停車。煤化工項(xiàng)目可以進(jìn)行以下儀表選型優(yōu)化：① 針對(duì)蒸汽流量測(cè)量，由差壓式改為渦街式；② 針對(duì)余熱鍋爐液位測(cè)量，由差壓式改為雷達(dá)式；③ 針對(duì)安裝在振動(dòng)頻率大的管道上閥門，采用分體式閥門電位器，氣源管選用金屬繞性管；④ 針對(duì)因結(jié)構(gòu)約束方面限制安全儀表回路SIL能力的情況，選用SIL等級(jí)更高的儀表設(shè)備。

3 聯(lián)鎖管理的完善

儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行既需要技術(shù)上的優(yōu)化，也需要管理上的完善。煤化工產(chǎn)業(yè)起步晚，新建企業(yè)管理人員來(lái)自不同系統(tǒng)，儀表聯(lián)鎖管理思路、理念不統(tǒng)一，個(gè)別企業(yè)聯(lián)鎖管理制度一年一大變，聯(lián)鎖管理體系不成熟、不健全?？偨Y(jié)國(guó)家法律法規(guī)和石化行業(yè)先進(jìn)做法，煤化工企業(yè)聯(lián)鎖管理要點(diǎn)概括如下：

(1)做好四項(xiàng)工作。一是評(píng)估，按照要求進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)SIL等級(jí)評(píng)估；二是完善，根據(jù)SIL評(píng)估結(jié)果完善安全儀表系統(tǒng)；三是維護(hù)，做好日常巡檢、定期檢驗(yàn)測(cè)試；四是作業(yè)，嚴(yán)格儀表聯(lián)鎖摘除、恢復(fù)、取消、變更等作業(yè)的審批和票證管理。

(2)落實(shí)四個(gè)要求。一是分級(jí)，儀表聯(lián)鎖應(yīng)按生產(chǎn)影響程度和安全影響程度進(jìn)行分級(jí)管理；二是分類，按照工藝聯(lián)鎖和設(shè)備聯(lián)鎖進(jìn)行分類管理；三是分功能，根據(jù)SIL評(píng)估按照安全功能聯(lián)鎖和非安全功能聯(lián)鎖進(jìn)行管理；四是分專業(yè)，按照儀表、工藝、設(shè)備、安全、技術(shù)等進(jìn)行專業(yè)管理。

(3)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)。一是儀表聯(lián)鎖投用達(dá)到100%，所有儀表聯(lián)鎖有效投用，長(zhǎng)周期穩(wěn)定工作；二是儀表聯(lián)鎖動(dòng)作正確率達(dá)到100%，杜絕聯(lián)鎖誤動(dòng)、拒動(dòng)等情況。

(4)貫穿一條線。管理活動(dòng)貫穿儀表聯(lián)鎖的全生命周期。

4 結(jié) 語(yǔ)

主要研究了煤化工企業(yè)儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，并就問(wèn)題形成原因、產(chǎn)生后果進(jìn)行了分析，針對(duì)性地提出了問(wèn)題解決措施，并對(duì)處理過(guò)程和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了描述。通過(guò)規(guī)范設(shè)計(jì)、優(yōu)化方案、合理選型、完善管理，可以消除系統(tǒng)隱患、減少聯(lián)鎖誤動(dòng)、提高儀表可靠性，使煤化工企業(yè)儀表聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)更為完善，為企業(yè)安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)運(yùn)行提供保障。